基于FPGA的水聲信號采集與存儲系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為實現(xiàn)對水聲信號的多通道同步采集并存儲，提出了一種基于FPGA的多通道信號同步采集、高速大容量實時存儲的系統(tǒng)設(shè)計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)的硬件部分采用模塊化設(shè)計，通過FPGA豐富的外圍接口實現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)交互，軟件部分采用Verilog HDL硬件描述語言進行編程，能夠靈活的實現(xiàn)信號的采集及存儲。實際應(yīng)用表明，該設(shè)計具有功耗低，可高速實時存儲，存儲容量大，通用性強，易于擴展升級等特點。

水聲信號采集存儲系統(tǒng)是海洋環(huán)境調(diào)查儀器的重要組成部分。開展水聲環(huán)境調(diào)查所使用的海洋儀器要求設(shè)備通道多、同步性好、采樣率高、數(shù)據(jù)存儲容量大。市場上常見的數(shù)據(jù)采集器多是采集某些固定種類的信號，動態(tài)范圍比較小，通道數(shù)一般也比較少，有些還要求與主機進行接口等，這些都限制了其在水聲信號采集中的應(yīng)用。為滿足需要，本文設(shè)計了適合于水聲數(shù)據(jù)采集存儲的較為通用的系統(tǒng)，系統(tǒng)單板具有8個采集通道，多個單板級聯(lián)可實現(xiàn)多通道同步采集、USB高速存儲。

1 總體設(shè)計

該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，上級電路通過級聯(lián)接口發(fā)送采集指令，單片機初始化控制FPGA，控制FPGA首先判斷單板是否為級聯(lián)單板，再初始化相應(yīng)的FPGA。采集模塊的FPGA向需要同步采集的通道對應(yīng)的A/D芯片提供統(tǒng)一的時鐘，使得A/D同步的選擇相應(yīng)的通道進行數(shù)據(jù)的同步采樣和轉(zhuǎn)換，其結(jié)果傳給負(fù)責(zé)緩存的FPGA，緩存在DDR對應(yīng)的存儲空間，然后由ARM控制存儲模塊的FPGA從DDR空間讀取數(shù)據(jù)進行本地存儲。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、緩存模塊、存儲模塊幾部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。單片機功耗低、接口豐富、可靠性高，被系統(tǒng)用做上電引導(dǎo)芯片;FPGA器件具有集成度高、內(nèi)部資源豐富、特別適合處理多路并行數(shù)據(jù)等明顯優(yōu)于普通微處理器的特點，所以系統(tǒng)采用XILINX公司不同型號的FPGA作為不同模塊的主控芯片。針對系統(tǒng)設(shè)計中對采集存儲實時性和同步性的要求，存儲模塊采用FPGA與ARM相結(jié)合的設(shè)計，采集主控制邏輯用ARM實現(xiàn)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的高速傳輸和存儲。

控制模塊相當(dāng)于系統(tǒng)的值班電路，當(dāng)系統(tǒng)作為從板工作時，只有控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊帶電，其他模塊關(guān)閉。由于FPGA內(nèi)核電壓只有1.2 V，在這種情況下系統(tǒng)工作電流不大于1 A，低功耗的設(shè)計保證系統(tǒng)可在無人值守的情況下長時間連續(xù)進行采集存儲工作。系統(tǒng)需要多通道數(shù)據(jù)同時采集存儲時，用戶通過配置主板的控制模塊參數(shù)設(shè)定8、16或32通道采集，主控FPGA通過級聯(lián)接口發(fā)送統(tǒng)一的采集時鐘到系統(tǒng)從板，從而實現(xiàn)系統(tǒng)多通道水聲信號的同步采集及存儲。另外，通過單片機接口也可以隨時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，系統(tǒng)具有修復(fù)功能，采集存儲過程中出現(xiàn)錯誤時，可根據(jù)用戶配置自動進行相應(yīng)的錯誤處理。

數(shù)據(jù)采集模塊具有8路數(shù)據(jù)采集存儲通道，每通道采用TI公司的24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1258，A/D采用15.36 MHz的外部輸入時鐘。設(shè)計中數(shù)字電源、模擬電源、參考電壓單獨布線，保證8通道信號隔離度幾乎為零，降低了系統(tǒng)測量噪聲。模塊中FPGA并行控制多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，包括轉(zhuǎn)換啟動、轉(zhuǎn)換同步、轉(zhuǎn)換停止、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出等。

數(shù)據(jù)緩存模塊采用64M byte的DDR作為緩存，因為DDR在一個時鐘周期內(nèi)進行兩次數(shù)據(jù)傳輸操作，它能夠在時鐘的上升沿和下降沿各傳輸一次數(shù)據(jù)，具有雙倍的數(shù)據(jù)傳輸量，DDR可以在與SDRAM相同的總線頻率下達到更高的數(shù)據(jù)傳輸率。緩存模塊中的FPGA對DDR的數(shù)據(jù)寫入和存儲

模塊中的FPGA對數(shù)據(jù)的讀取是通過兵乓傳輸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。當(dāng)FPGA寫滿DDR上半?yún)^(qū)后，向存儲模塊申請中斷，存儲模塊響應(yīng)中斷后，讀出上半?yún)^(qū)數(shù)據(jù)到存儲模塊;同時FPGA向DDR的下半?yún)^(qū)寫數(shù)據(jù)，寫滿下半?yún)^(qū)后也向存儲模塊發(fā)出中斷，通知存儲模塊讀出下半?yún)^(qū)數(shù)據(jù)。通過乒乓傳輸保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸可連續(xù)進行。

數(shù)據(jù)存儲模塊的作用是將多通道24 bit數(shù)據(jù)經(jīng)過緩存模塊，按采樣的時間順序，以低字節(jié)到高字節(jié)的次序，依次將其寫入電子硬盤。系統(tǒng)采用IPD的iPD-USB型300G電子硬盤作為存儲器。由于它沒有普通硬盤的旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，因而抗震性極佳，同時工作溫度很寬，可工作在-40～+85℃，再加上重量較硬盤輕很多，非常適用于水下聲信號采集存儲設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)要求，采用USB底層芯片配合存儲模塊實現(xiàn)大容量高速USB存儲，速度可達480Mbit/s，比全速USB存儲快了40倍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序設(shè)計采用Verilog HDL硬件描述語言，軟件采用模塊化設(shè)計，提高了程序的可移植性和可維護性。系統(tǒng)的軟件主要分為初始化模塊、水聲數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、中斷服務(wù)程序模塊等構(gòu)成。初始化程序僅在系統(tǒng)復(fù)位及程序開始時執(zhí)行一次，完成各模塊主控芯片及外圍電路的初始化;數(shù)據(jù)采集模塊通過模擬量輸入端口采集水聲信號;數(shù)據(jù)緩存模塊負(fù)責(zé)將DDR中緩存的數(shù)據(jù)依次輸出給存儲模塊;數(shù)據(jù)存儲模塊每分鐘向電子硬盤中寫入一個文件。軟件設(shè)計的流程圖如圖3所示。

4 試驗應(yīng)用

4.1 實驗室測試結(jié)果

系統(tǒng)的性能測試是保證系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠工作的重要手段。在實驗室測試過程中，主要對系統(tǒng)的整體性能進行考察，其中包括：多通道采集同步誤差、數(shù)據(jù)吞吐量、系統(tǒng)功耗、自噪聲等。測試結(jié)果如表1所示。

4. 2 海上試驗結(jié)果

本系統(tǒng)應(yīng)用的海洋環(huán)境噪聲測量潛標(biāo)在中國某海域進行了海上實驗，系統(tǒng)連續(xù)工作3個月，性能穩(wěn)定可靠，并獲取了大量完整有效的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。測量的海洋環(huán)境噪聲功率譜符合海洋環(huán)境噪聲的自然分布規(guī)律。實測海洋環(huán)境噪聲功率譜如圖4所示。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用多FPGA相結(jié)合的設(shè)計，很好的完成了高速多通道數(shù)據(jù)采集與存儲，并且詳細(xì)介紹了FPGA各模塊的設(shè)計方法。本系統(tǒng)設(shè)計靈活，能很容易的擴展為多通道數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，也能很容易的修改為與其他的A/D轉(zhuǎn)換芯片接口。所以本系統(tǒng)可根據(jù)不同的應(yīng)用進行擴展，進一步增強了系統(tǒng)在其他領(lǐng)域應(yīng)用的靈活性。